内本喜晴 人間?環境学研究科教授、折笠有基 同助教、山本健太郎 同博士課程学生の研究グループは、櫻井浩 群馬大学理工部教授、鈴木宏輔 同助教、B. Barbielini ノースイースタン大学（米国）准教授、伊藤真義 高輝度光科学研究センター副主幹研究員、櫻井吉晴 同副主席研究員らとの国際共同研究で、大型放射光施設SPring-8の高輝度?高エネルギーの放射光X線を用いて、マンガン酸リチウムにおけるリチウムイオン挿入の電池電極反応に寄与する電子軌道の正体を明らかにしました。
本研究成果は、米国科学誌「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載される予定です。
研究者からのコメント
コンプトン散乱测定はその他の正极材料（コバルト酸リチウム系、リン酸鉄リチウム系など）や负极材料にも适用できるため、リチウムイオン二次电池の充放电における电极反応メカニズムの総合的理解と设计指针に基づく长寿命なリチウムイオン二次电池の开発に役立つと期待されます。
ポイント
- マンガン酸リチウムの正电极反応を司るのは、酸素内部の特定电子であることを、実験的に见出した。
- 従来考えられてきたマンガン原子の価数変化はほとんど起きないことが示された。
- リチウムイオン电池の电极反応メカニズムの解明および电极材料设计に新たな指针を与えることが期待される。
概要
リチウムイオン二次电池は、従来の电池に比べ、エネルギー密度が高いことなどから电子モバイル机器の电源だけでなく、电気自动车のバッテリーや电力贮蔵用の蓄电池として幅広く私たちの暮らしを支えています。ところが、リチウムイオン二次电池ではリチウムイオンが正极と负极の间を移动することで充放电が行われますが、リチウムイオンが电极に挿入?脱离したときの电极反応については、十分に解明されていないのが现状です（図）。
そこで本研究グループは、厂笔谤颈苍驳-8?ビームライン叠尝08奥の高辉度?高エネルギー齿线を利用してコンプトン散乱测定によりリチウムイオン挿入におけるマンガン酸リチウムの电子运动量分布（コンプトンプロファイル）の変化を精密に测定し、第一原理计算と比较しました。その结果、リチウムイオンがマンガン酸母材に入ると、酸素の2 p 电子が増加する一方、マンガン原子の価数はほとんど変化しないことを见出しました。これは、マンガン酸リチウムの正极反応として一般的に考えられている「マンガン原子の価数が四価から叁価へ変わる现象」は起きていないことを示しています。
本研究の成果は、电极反応メカニズムの详细を明らかにするだけでなく、リチウムイオン二次电池を実际に使用した际に电池内で起こる电気化学反応の理解や电池の容量劣化の问题解决の第一歩となるものです。
リチウムイオン二次电池では、リチウムイオンが正极、负极间を移动することで充放电が行われます。母材のマンガン酸（惭苍 2 O 4 ）は、酸素原子でつくる八面体の中心にマンガン原子が存在する构造を持つため、リチウム挿入によってもたらされた电子の入る轨道（电池电极反応に寄与する轨道）としてマンガン3 d 轨道、もしくは、酸素2 p 轨道のどちらかが予想されます。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, N. Go, H. Sakurai, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Y. Uchimoto, Yung Jui Wang, H. Hafiz, A. Bansil, and Y. Sakurai
"Extracting the redox orbitals in Li battery materials with high-resolution x-ray Compton scattering spectroscopy"
Physical Review Letters 114, 087401 Published 25 February 2015
掲载情报
- 科学新聞（2月27日 2面）に掲載されました。
